【光電集成】新一代激光芯片

----與智者為伍 為創新賦能----

激光原理：激光技術起源于 20 世紀 60 年代，與原子能、半導體、計算機并稱 20 世紀 新四大發明之一。激光英文全稱是 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation （LASER），意為“通過受激輻射光擴大”，簡稱“激光”。激光的原理早在 1916 年就已被 愛因斯坦發現：原子中的電子吸收能量后從低能級躍遷到高能級，再從高能級回落到 低能級的時候，所釋放的能量以光子的形式放出。被“引誘”（激發）出來的光子束 （激光），其中的光子光學特性高度一致。相比由多種顏色、波長混合的自然光，激 光有具有方向性好、亮度高、單色性好及高能量密度等特點，因此也被稱為“最快的 刀”、“最準的尺”、 “最亮的光”。

激光發展歷史：1916 年，愛因斯坦提出了光的受激發射理論，人類對激光開始有了認 知。1958 年，美國科學家肖洛和湯斯發現了一種神奇的現象，當他們將內光燈泡所發 射的光照在一種稀土晶體上時，晶體的分子會發出鮮艷的、始終會聚在一起的強光。肖洛和湯斯的研究成果發表之后，各國科學家紛紛提出各種實驗方案，但都未獲成 功。1960 年 5 月 15 日，美國加利福尼亞州休斯實驗室的科學家梅曼宣布獲得了波長 為 0.6943 微米的激光，這是人類有史以來獲得的第一束激光，梅曼因而也成為世界上 第一個將激光引入實用領域的科學家。

1960 年 7 月 7 日，梅曼宣布了世界上第一臺激 光器的誕生，梅曼的方案的是，利用一個高強閃光燈管來刺激在紅寶石色水晶里的鉻 原子，從而產生一條相當集中的纖細紅色光柱，當它射向某一點時，可使其達到很高 的溫度。前蘇聯科學家尼古拉·巴索夫于 1960 年發明了半導體激光器。半導體激光器 的結構通常由 P 層、N 層和形成雙異質結的有源層構成，其特點是：尺寸小、耦合效 率高、響應速度快、波長和尺寸與光纖尺寸適配、可直接調制、相干性好。

激光器結構

激光器一般包括增益介質、泵浦源和諧振腔三個部分。激光器是激光的發生裝置，主 要由激勵源和具有亞穩態能級的工作介質組成。激勵源為實現并維持粒子數反轉產生 躍遷輻射創造條件，激勵方式有光學激勵、電激勵、化學激勵和核能激勵等。具有亞 穩態能級的工作介質使受激輻射占主導地位，從而實現光放大。激光器中常見的組成 部分還有諧振腔，諧振腔為關鍵的組成部分，可使腔內的光子有一致的頻率、相位和 運行方向，從而使激光具有良好的方向性和相干性，而且諧振腔可以很好地縮短工作 物質的長度，還能通過改變諧振腔長度來調節所產生激光的模式。簡單來說：泵浦源 為激光器提供光源，增益介質（也稱為工作物質）吸收泵浦源提供的能量后將光放 大，諧振腔為泵浦光源與增益介質之間的回路，振腔振蕩選模輸出激光。

1）激光工作介質：增益介質

用來實現粒子數反轉并產生光的受激輻射放大作用的物質體系，也被稱為激光增益媒 質，常用的有紅寶石、鈹玻璃、氖氣、半導體、有機染料等。在增益介質中可以實現 粒子數反轉（高能狀態的電子增加到對低能量狀態電子具有壓倒性優勢的密度），以 制造獲得激光的必要條件。

2）激勵源：泵浦源

為了使工作介質中出現粒子數反轉，必須用一定的方法去激勵原子體系，使處于上能 級的粒子數增加。一般可以用電流注入或氣體放電的辦法驅使具有動能的電子激發介 質原子，稱為電激勵；也可用脈沖光源來照射工作介質，稱為光激勵；還有熱激勵、 化學激勵等。各種激勵方式被形象化地稱為泵浦或抽運；為了不斷得到激光輸出，必 須不斷地“泵浦”以維持處于上能級的粒子數比下能級多。

3）諧振腔

有了合適的工作物質和激勵源后，可實現粒子數反轉，但這樣產生的受激輻射強度很 弱，無法實際應用。人們就想到了用光學諧振腔進行放大。所謂光學諧振腔，實際是 在激光器兩端，面對面裝上兩塊反射率很高的鏡片：一塊幾乎全反射，一塊使大分光 反射、少量光透射出去，以使激光可透過這塊鏡子而射出。被反射回到工作介質的 光，繼續誘發新的受激輻射，光被放大。因此，光在諧振腔中來回振蕩，造成連鎖反 應，雪崩似的獲得放大，產生強烈的激光，從部分反射鏡子一端輸出。（報告來源：未來智庫）

激光器分類

激光器可按泵浦方式、增益介質、運轉方式、輸出功率和輸出波長進行分類。

1）按泵浦方式：可分為電泵浦、光泵浦、化學泵浦、熱泵浦、核泵浦激光器。電泵浦激光器指以電流方式激勵的激光器（氣體激光器多以氣體放電方式進行激勵， 而半導體激光器多采用電流注入方式進行激勵）；光泵浦激光器指以光泵方式激勵的激光器（幾乎所有固體激光器、液體激光器均屬于 光泵浦激光器，而半導體激光器是光泵浦激光器的核心泵浦源）；化學泵浦激光器指利用化學反應釋放的能量對工作物質進行激勵的激光器。

2）按運轉方式：可分為連續激光器和脈沖激光器。連續激光器中各能級的粒子數及 腔內輻射場均具有穩定分布，其工作特點是工作物質的激勵和相應的激光輸出可以在 一段較長的時間范圍內以連續方式持續穩定進行，但熱效應較明顯；脈沖激光器指激 光功率維持在一定值時所持續的時間，以不連續方式輸出激光，主要特點是峰值功率 高、熱效應小、可控性好。根據脈沖時間長度，可進一步分為毫秒、微秒、納秒、皮 秒和飛秒，脈沖時間越短，單一脈沖能量越高、脈沖寬度越窄、加工精度越高。

3）按輸出功率：劃分為分為低功率（0-100W）、中功率（100-1,000W）、高功率 （1,000W 以上），不同功率的激光器適應的應用場景不同。

4）按照波長：可分為紅外激光器、可見光激光器、紫外激光器、深紫外激光器等。不同結構的物質可吸收的光波長范圍不同，因此需要各種不同波長的激光器用于不同 材料的精細加工或者不同應用場景。紅外激光器與紫外激光器是運用最廣泛的兩種激 光器：紅外激光器主要應用于“熱加工”，將材料表面的物質加熱并使其汽化（蒸 發），以除去材料；在薄膜非金屬材料加工、半導體晶圓切割、有機玻璃切割/鉆孔/打 標等領域，高能量的紫外光子直接破壞非金屬材料表面的分子鍵，使分子脫離物體， 這種方式不會產生高熱量反應，因此通常被稱為“冷加工”，紫外激光器在微加工領域 具有不可替代的優勢。

由于紫外光子能量大，難以通過外激勵源激勵產生一定高功率 的連續紫外激光，故紫外激光一般是應用晶體材料非線性效應變頻方法產生，因此目 前廣泛應用在工業領域的紫外激光器主要是固體紫外激光器。

5）按增益介質：固態（固體、光纖、半導體等）、氣體、液體、自由電子激光器等。激光器按照增益介質（工作物質）分為：①液體激光和氣體激光，由于效率低下和 需要高頻率更換工作物質和維護，目前只利用其特殊性能并在小眾市場應用；②自 由電子激光器目前技術還不充分，雖然有頻率連續可調、頻譜范圍廣等優勢，但短期 內還很難有廣泛應用。

③固態激光目前應用最廣泛、市場占有率最高，通常被分為 以晶體為工作物質的固體激光器、以玻璃光纖為工作物質的光纖激光器（近 20 年來 由于兼顧電光轉換效率和光束質量取得大力發展），目前少部分利用燈如氙閃光燈作 為泵浦源，大部分利用半導體激光器作為泵浦源。半導體激光器是以半導體材料作為 激光介質，以電流注入二極管有源區為泵浦方式的激光二極管（以電子受激輻射產生 光），具有電光轉換效率高、體積小、壽命長等特點，廣義上雖也屬于固態激光器的 一種，但半導體激光器直接產生的光由于光束質量差，目前所能直接應用的領域受 限，一般作為固體激光器和光纖激光器等其他激光器的核心泵浦光源以應用于更多場 景。

從應用領域來看，根據《2021 年中國激光產業發展報告》，2020 年全球激光器銷售額 為 160.1 億美元。結構上來看，材料加工與光刻、通訊與光存儲、科研和軍事、醫療 和美容、儀器與傳感器及娛樂、顯示與打印占比分別為 39.6%、24.5%、13.8%、 5.7%、12.6%及 3.8%。據報告預測，2021 年全球激光器的總市場規模為 185 億美金， 市場增長率為 15%，其中半導體激光器（作為固體激光器和光纖激光器等其他激光器 的核心泵浦光源或作為直接激光器），其市場規模預計為 79.5 億美金（占比 43%），市 場增速為 18%。我國激光器行業發展迅速、競爭優勢明顯，在全球激光器市場中所占的比重也持續提 升，根據 Laser Focus World 發布的數據，2020 年，我國激光器市場規模為 109.1 億美 元，占全球激光器市場 66.12%的份額。

近年來全球工業激光器市場規模呈波動走勢，根據 Laser Focus World 測算，2020 全球 工業激光器市場規模約為 51.57 億美元，同比增長 2.4%。從結構上，市場份額最大的 是光纖激光器，2018 至 2020 年的銷售占比均超過 50%，其中 2020 年全球光纖激光器 銷售額占比為 52.7%；固體激光器銷售占比 16.7%；氣體激光器銷售占比 15.6%；直接 半導體/準分子激光器銷售占比 15.04%。

光通信芯片市場：中長期替代空間廣闊

1. 光通信原理

光纖通信系統是以光為載波，利用純度極高的玻璃拉制成極細的光導纖維作為傳輸媒 介，通過光電變換，用光來傳輸信息的通信系統。最基本的光纖通信系統由數據源、 光發送端、光學信道和光接收機組成。具體過程為：在發送端將傳送的信息（如話 音）變成電信號，然后調制到激光器發出的激光束上，使光的強度隨電信號的幅度 （頻率）變化而變化，并通過光纖發送出去；在接收端，檢測器收到光信號后把它變 換成電信號，經解調后恢復原信息。

光發信機：光發信機是實現電/光轉換的光端機。它由光源、驅動器和調制器組 成。其功能是將來自于電端機的電信號對光源發出的光波進行調制，成為已調光 波，然后再將已調的光信號耦合到光纖或光纜去傳輸。光收信機：光收信機是實現光/電轉換的光端機。它由光檢測器和光放大器組 成。其功能是將光纖或光纜傳輸來的光信號，經光檢測器轉變為電信號，然后， 再將這微弱的電信號經放大電路放大到足夠的電平，送到接收端。光纖或光纜：二者光的傳輸通路，其功能是將發信端發出的已調光信號，經過光 纖或光纜的遠距離傳輸后，耦合到收信端的光檢測器上，完成傳送信息任務。

中繼器（放大器）：中繼器由光檢測器、光源和判決再生電路組成。它的作用一 是補償光信號在光纖中傳輸時受到的衰減，二是對波形失真的脈沖進行整形。光纖連接器、耦合器等無源器件：由于光纖或光纜的長度受光纖拉制工藝和光纜 施工條件的限制，且光纖的拉制長度也是有限度的，因此一條光纖線路可能存在 多根光纖相連接的問題。于是，光纖間的連接、光纖與光端機的連接及耦合，對 光纖連接器、耦合器等無源器件的使用是必不可少的。

2. 光模塊是光通信設備的核心

光通信系統主要由光通信設備、傳輸光纖、光無源器件（光分路器、波分復用器、光 隔離器、光開關、光連接器、光背板、光濾波器等）構成。光通信設備的核心為光模塊（光模塊產值在光通信中份額約 65%）。光模塊的核心為光有源模塊和電芯片：1）光有源模塊包括光芯片和光調制器，其中光芯片為核心。光芯片包括激光器芯 片、探測器芯片；2）電芯片包括 LD Driver、TIA、LA、 CDR 芯片等。

LD Driver：激光驅動芯片，發射端數字信號是電壓信號，而激光器本身是依靠電 子激發進行發光的，所以必須將要發送的電壓信號轉換成為電流信號，因此需要 Laser Driver 驅動激光二極管發射激光。TIA：Transimpedance Amplifier，即跨阻放大器，增益定義為輸出電壓除以輸入電 流，單位是電阻，由于是將電流放大為電壓，因此將這種類型的放大器稱為跨阻 放大器。TIA 應用于將電流放大至電壓的場景，例如光電探測器探測信號的放 大。PD 接收到光信號后，產生的電流信號比較微弱（uA 量級），因此需要利用 TIA 將其放大，便于后續的信號處理。

LA：Limiting Amplifier，即限幅放大器。限幅放大器電路功能是輸入信號較小時， 限幅放大器處于線性放大工作狀態，輸出跟隨輸入線性變化；而當輸入信號達到 某一電平時，輸出將不隨輸入信號的增加而變化，而維持在一定值上，即處于限 幅工作狀態。LA 解決的問題場景是，PD 產生的電流信號跟其接收的光信號強弱 成正比，而 TIA 的跨阻(V=I*R，電壓=電流*電阻)R 是一定的，這樣產生的電壓信 號就會隨著輸入光的大小變化而變化，而且變化的范圍比較大。所以 Receiver 還 需要一個 LA，對前面 TIA 轉換出來的小電壓信號繼續放大，以保證輸出幅度足夠 大，同時限幅功能使得在強光輸入的時候，輸出能夠維持在一定值上，處于限幅 工作狀態。

CDR：Clock and Data Recovery，即時鐘數據恢復。CDR 的主要功能是：1）為接收 器端各電路提供時鐘信號；2）對接收到的信號進行判決，便于數據信號的恢復 與后續處理。光信號經過一定距離的傳輸后，其波形會發生一定程度的失真。如 果沒有時鐘信號伴隨光信號一起傳輸，接收端接收到的信號將會是一個個長短不 一的脈沖，因此需要 CDR 芯片對這些脈沖信號進行處理以得到想要傳輸的數據。

3. 光模塊的本質是實現光電信號的轉換

一個光模塊通常由光發射器件（TOSA，含激光器）、光接收器件（ROSA，含光探測 器）、功能電路和光（電）接口等部分組成。光模塊的應用場景豐富，可分為電信市 場與數通市場，涵蓋了數據寬帶、電信通訊、數據中心、Fttx、安防監控和智能電網 等領域。光模塊的性能主導著光通信網絡的升級換代，在接入端、傳輸端等不同細分 市場上均發揮著至關重要的作用。光模塊作為光電轉換的連接模塊，包含兩個端口即發射端和接收端。其中發射端將電 信號轉換成光信號，通過光纖傳送后，接收端再把光信號轉換成電信號。光模塊由光 電子器件、功能電路和光接口組成，其中光電子器件包括發射和接收兩部分。

光模塊在整體產品架構上包括光學次模塊（Optical Subassembly；OSA）及電子次 模塊（Electrical Subassembly；ESA）兩大部分。光學次模塊的制造流程為：激光 二極管芯片的外延部分以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）、砷化銦鎵（InGaAs） 等作為發光與檢光材料，利用有機金屬氣相沉積法（MOCVD）等方式，制成外 延片，然后將外延片制成激光二極管，隨后搭配濾鏡、金屬蓋等組件，封裝成 TO can（Transmitter Outline can），再將此 TO can 與陶瓷套管等組件，封裝成光學 次模塊（OSA）。最后再搭配電子次模塊（ESA），電子次模塊內部包含傳送及接 收兩顆驅動 IC，用以驅動激光二極管與檢光二極管，如此結合即組成光模塊。

早期的光模塊所用的光器件收和發是分開的，一個是 TOSA（Transmitting Optical Sub-Assembly，光發射組件），一個是 ROSA（Receiving Optical Sub-Assembly，光 接收組件），隨著小型化的發展，二者合二為一就成了 BOSA（Bi-Directional Optical Sub-Assembly，光發射接收組件），也有的光器件集成 1 個 TOSA 和 2 個 ROSA 的就成了 Triplexer。光器件可根據工作時是否進行光電轉換，分為有源光器件和無源光器件。有源光 器件是光通信系統中將電信號轉換成光信號或將光信號轉換成電信號的關鍵器 件，是光傳輸系統的心臟，主要包括包括激光器、調制器、探測器和集成器件 等；無源光器件是光通信系統中需要消耗一定能量但沒有光電或電光轉換的器 件，用于滿足光傳輸環節的其他功能，是光傳輸系統的關鍵節點，包括光連接 器、光隔離器、光分路器、光濾波器、光開關等。

4. 光芯片占光模塊平均 50%以上成本

光器件種類繁多，按照通信上下游劃分，光器件可分為光電芯片、光器件和光模塊。光電芯片是光器件的核心元件，根據材料的不同可分為 InP、GaAs、Si/SiO2、SiP、 LiNbO3、MEMS 等芯片，根據功能不同可分為激光器芯片、探測器芯片、調制器芯片。這些芯片/器件集成后，再加入外圍電路形成一個光通信模塊，被廣泛應用于路 由器、基站、傳輸系統、接入網等光網絡建設中。

光芯片在光模塊中的成本占比分布在低端器件、中端器件及高端器件上的數據分別是 20%、50% 和 70%。? 光通信芯片企業采用高頻性能突出的 GaAs 以及 InP 化合物半導體為光通信芯片的 襯底。GaAs 以及 InP 可被制成電阻率比硅、鍺高 3 個數量級以上的半絕緣高阻材 料，用來制作襯底具有高頻、高低溫性能好、噪聲小、抗輻射能力強等優點，符 合 5G 通信高頻的特點，因而在光通信芯片領域得到重要應用。

全球 GaAs 襯底市場集中度較高，根據 Yole 統計，2019 年全球砷化鎵襯底市場主 要生產商包括：德國 Freiberger、日本 Sumitomo 和美國 AXT（北京通美），其中德 國 Freiberger 占比 28%、日本 Sumitomo 占比 21%、美國 AXT（北京通美）占比 13%。從市場格局來看，InP 襯底材料市場頭部企業集中度很高，主要供應商包括日本 Sumitomo、美國 AXT（北京通美）、日本 JX 等。Yole 數據顯示，2020 年全球前三 大廠商占據磷化銦襯底市場 90%以上市場份額，其中 Sumitomo 為全球第一大廠 商，占比為 42%；美國 AXT（北京通美）位居第二，占比 36%。磊晶生成的外延片質量（Wafer）是決定光芯片性能的關鍵因素，且生成條件較 為嚴苛，是光芯片制備的重要環節。目前磊晶生長方式有 MOCVD、MBE 兩種。

GaAs 外延片生產，則有不同的商業模式：1）GaAs LED 市場主要是垂直整合，擁有成 熟的 IDM 廠商，如歐司朗（Osram）、三安光電（San’an）、晶元光電（Epistar）、乾照 光電（Changelight）等；2）GaAs 射頻市場則采用外延生產外包模式，過往幾年 GaAs 射頻外延業務經歷多次整合，如今產生了四大領導廠商：IQE、全新光電（VPEC）、住 友化學（包括住友化學先進技術和 SCIOCS）、英特磊（IntelliEPI）；3）GaAs 光電子市 場，外延業務仍然取決于應用：GaAs 數據通信市場主要是 IDM 模式，主要廠商有菲 尼薩（Finisar）、安華高（Avago）、貳陸（II-VI）等，而對于規模較大且成本敏感性高 的消費電子類需求，主要以 Foundry 模式為主，如蘋果供應商 Lumentum 選擇外延生 產外包，將 IQE 作為其 VCSEL 外延生產服務商。（報告來源：未來智庫）

激光二極管在光模塊內肩負著將電信號轉化為光信號的重任，常用的激光二極管按發 光類型，分為面發射與邊發射。其中，面發射型激光主要為垂直腔面發射激光器 （VCSEL）；邊發射型激光種類較多，目前使用最為廣泛的是法布里-珀羅激光器（FP） 激光器、分布反饋激光器（DFB）和電吸收調制激光器（EML）。

1）VCSEL ：屬于面發射類型（垂直腔結構），VCSEL可以提供高質量的激光束，更高的 耦合效率和空腹反射率，相比 FP 激光器和 DFB 激光器，VCSEL 制造比較容易，這樣就 能夠生產低成本基于 VCSEL 的收發器。VCSEL 在功耗、溫漂、成本、集成、散熱等方 面具有一定優勢，但由于目前投入實際應用的 VCSEL 主要集中在 850nm/980nm 波長范 圍內，這種激光器更適合應用于短距離的數據中心內高速數據傳輸和接入網等領域。

2）FP 激光器（Fabry-perot 法布里-珀羅激光器）：FP 激光器 TO 全稱“TO 封裝多量子阱 FP 腔縱模激光器”，它是以 FP 腔為諧振腔，發出多縱模相干光的半導體發光器件，屬 于邊發射類型（水平腔結構）。FP 激光器結構和制作工藝簡單，成本低，主要用于中 短距離傳輸，比如傳輸距離一般在 20 公里以內。

3）DFB（Distributed Feedback Laser）激光器：分布式反饋激光器屬于邊發射類型（水 平腔結構），是在 FP 激光器的基礎上，將布拉格光柵集成到激光器內部的有源層中 （也就是增益介質中），在諧振腔內形成選模結構，實現單模工作（即使用光柵選頻 以實現單模工作）。DFB 相較 VCSEL 波長更長（一般用 1310nm 和 1550nm 這 2 種波 長），在包括傳輸網、無線基站、數據中心內部互聯等領域在內的中長距離傳輸被普 遍使用。

以上三中激光器都屬于直接調制激光器（DML，Directly Modulated Laser），信號的 0/1 調制通過控制其電流使激光器輸出強度改變來完成，但是由于調制電流的變化，激光 器會發生比較明顯的頻率啁啾，導致脈沖展寬、信號失真，因此 DML 型不適合高速 長距離傳輸。后來，集成了電吸收調制器（EAM）與 DFB 的電吸收調制激光器 （EML）應運而生：EML 工作時，給激光器的注入電流保持恒定，依靠外部調制器對 光信號進行調制，因此不易產生啁啾效應、信號傳輸質量較理想，適合高速率、遠距 離的電信骨干網、城域網和數據中心互聯類的應用；但是相對地，EML 在價格和功耗 層面優勢不夠明顯，因為 EML 在使用時需要給調制器 EAM 額外提供一個負壓偏置， 同時還要搭配半導體制冷器（TEC）進行精密的環境溫度控制來保證高信號傳輸質 量。

光模塊根據不同場景的選擇和使用是完全不同的，其中最主要的就是根據傳輸速率、 傳輸距離、不同的波長來選擇激光器類型和調制方式：在高速率 100G 光模塊中，幾 十米用 VCSEL 激光器，500 米到 10 公里用 DFB 激光器，40 公里用 EML 激光器；在 10G 光模塊中，1310nm 波長屬于零色散區域，在傳輸 20 公里可選用 DML 激光器，若是 1550nm 波長需要選用 EML 激光器。

5. 國產光芯片與美日廠商差距較大，替代壁壘較高但空間廣闊

國產光芯片基礎薄弱，與美日廠商差距較大。全球高端光芯片基本被國外廠商壟斷， 其中。我國在高端芯片領域的自主技術研發和投入實力方面相對較弱，目前主要集中 在中低端光芯片產品的研發、制造。全球主要光器件廠家均積極布局有源光芯片、器件與光模塊產品，并達到 100Gb/s 速 率及以上的水平。在中興、華為等通信設備的強勢助攻下，中國成為世界上最大的光 器件消費大國，市場占比約為 35%。

國內企業在無源器件、低速光收發模塊等中低端 細分市場較強，然而以高速率為主要特征的高端光芯片技術，還掌握在美日企業手中 （美、日企業占據了全球高端光芯片超過 50%市場份額，占據我國高端光芯片 90%以 上的市場份額），我國高速率光芯片國產化率僅 3%左右。國內企業目前只掌握了 10Gb/s 速率及以下的激光器、探測器、調制器芯片，以及 PLC/AWG 芯片的制造工藝 以及配套 IC 的設計、封測能力，25Gb/s 的工藝能力及產能配套都無法形成規模；單通 道 25Gbps 光芯片大部分已可國產化，電芯片部分國產化，但絕大多數 25Gb/s 速率模 塊使用的光電芯片只能做到小批量供貨，大部分還要依賴進口。

50Gbps 以上的光電芯 片，只有很少部分器件可國產化。更為高端的 100G 光通信系統，其中可調窄線寬激 光器、相關光發射/接收芯片均高度依賴進口。在電跨阻放大芯片、高速模數/數模轉 化芯片、相關通信 DSP 芯片以及 5G 移動通信前傳光模塊需要的 50Gb/s PAM-4 芯片 上，還鮮少有國內廠家能夠規模化供貨商用解決方案。

光器件行業相對分散，產品種類繁多，不同產品領域的競爭格局具有較大差異。光電子器件每一種類別下會產生上百種產品型號，它們之間還能組合成各種各樣 的模塊、子系統等。因此，專業化分工來研發、生產和銷售各種光電子器件已成 為行業的特點。由于各個企業所掌握的技術特點和銷售渠道不同，他們在不同產 品領域的競爭地位也不盡相同。在低端器件領域，如光纖耦合器、連接器、低速 收發模塊等的生產廠商較多，競爭很激烈。在技術含量較高的高端模塊和子系統 領域，如 DWDM 器件、40Gbit/s 以上光收發模塊、ROADM 子系統等，生產廠商 相對較少，具備較強自主研發能力的廠商在競爭中占據有利位置。我國光器件行 業廠商眾多，國內大多數廠商以中小企業為主，規模層次不齊，自主研發和投入 實力相對較弱，主要生產中低端產品，產品比較單一，普遍收入規模不大。

目前，光器件行業有源光器件市場要遠大于無源光器件市場。有源光器件的光收 發模塊占據了絕大部分光器件市場份額，據產業信息網統計，有源光收發模塊的 產值在光器件中占比超過 60%，其在輸入端、傳輸端等不同細分領域發揮著至關 重要的作用。此外，無源光器件需求在快速增加。在光纖到戶的發展趨勢下，從 局端機房到用戶終端設備之間的光纖接入網建設規模增加，光纖路徑復雜、連接 數量膨脹，各類光通信設備的使用量大增，相應地刺激了需求的快速增長。目前 我國光器件廠商占據全球約 15%市場份額，其中無源光器件的競爭力相對較高。

光芯片國產化產業現狀：從產品路線來看，布局 DFB 激光器和 PIN 探測器的廠家更為 集中，而 VCSEL 的廠商較多，但由于人臉識別等傳感市場的空間更多，所以僅專注于 數通市場的廠家則較少。當前中國光芯片企業已經可以實現 10G 及以下的 DFB 、FP、 VCSEL、PIN、 APD 光芯片進口替代，2020 年中國 10G 速率及以下光芯片國產化率已實 現完全替代，在接入網市場已經可以實現完全自給自足，但 1577nm EML 仍依賴進 口，國產化仍在進一步驗證中，并有部分廠商推出 DML 方案進行替代；在 25Gbps 以 上，尤其是 EML 激光器芯片依然嚴重依賴進口，國產化芯片仍在驗證提升的階段，大 規模供應仍有待進一步突破。

但值得一提的是，受益于我國 5G 規模建設的提速，以 及全球化貿易摩擦，中國光芯片企業在 25Gbps CWDM/MWDM/LWDM 激光器突破方 面，展現出競爭能力的提升，超過 5 家企業已經可以實現批量生產供應。

目前我國光芯片國產化挑戰眾多， 主要體現在以下幾點：1）一是我國光電子芯片流 片加工嚴重依賴國外：高速DFB、EML 芯片所需的 InP 工藝，VCSEL 激光器所需的 GaAs 工藝等都依賴美國、中國臺灣等國家和地區的代工資源，使得我國在國家各級研發計 劃支持下發展的關鍵技術大量流失。由于缺乏完整、穩定的光電子芯片、器件加工工 藝平臺以及工藝人才隊伍，國內還難以形成完備的標準化光通信器件研發體系，導致 芯片研發周期長、效率低，造成我國光通信器件技術與國外差距逐漸擴大。

可工程化 的三五族材料工藝、硅光工藝平臺能力，是制約國內企業與研究機構在高端光通信芯 片上快速創新的瓶頸，也是制約國產芯片大規模應用的主要瓶頸，換言之，外延生長 的質量決定光通信芯片的傳輸性能，為光通信芯片生產技術壁壘最高的環節，現階 段，中國光通信芯片企業還未掌握成熟的外延技術，外延技術的落后拖累中國光通信 芯片的行業發展；

2）二是標準、專利等軟實力建設意識、能力不足：在光通信器件 與模塊的國際標準制定中，一直以來很少見到中國企業的身影。參與新標準的制定， 也意味著跟進行業發展潮流，甚至左右行業發展的方向，但國內標準普遍參照國際標 準執行，這導致了國內企業話語權的缺失，使得標準和行業發展以眾多國外大企業的 意志為走向，這對國內企業十分不利。需要加強中國光通信器件廠家的基礎研究、技 術預研，通過原創性、基礎性技術的突破來進一步提升產業影響力與標準話語權；

3）三是光通信芯片相關配套行業領域基礎薄弱，無法形成支撐：光通信器件產業發 展嚴重依賴于先進測試儀表、制造裝備等基礎性行業能力。國內儀表裝備廠商基本從 事低端設備的開發，精度高、自動化程度高的設備大多嚴重依賴進口，光通信器件企 業固定資產投資負擔重，還存在產業安全等問題。應提高對自主研發的光通信器件制 造與測試裝備的重視程度，比如全自動高精度貼片機、全自動打線機、高速率光電信 號測試儀表及裝備等。

6. 光模塊市場方興未艾

從下游應用端市場規模來看，隨著 5G 商用的普及，光通信器件市場已進入新的增長 周期。LightCounting 認為，2020 年和 2021 年，由于 COVID-19 大流行，人們開始轉向 居家辦公和學習，對更快、更普遍、更高可靠性的網絡的需求更加強烈，雖然供應鏈 短缺仍在繼續，但該行業能夠在很大程度上克服這些問題，光器件和模塊市場在 2020 年和 2021 年實現了強勁增長。同時 LightCounting 預測，光模塊市場在 2021 年增長 9%，2020 年增長 17%之后，2022 年有望再次實現收入的強勁增長（預計 17%），同時 預計 2022-2027 年的年復合增長率為 12%。

2020 年度，全球光芯片市場規模約 20 億美元，這其中約有 60%的營收來自于 InP 激 光器市場，包括 DFB 和 EML 芯片；25%來自于 PIN/APD/MPD 接收、監測芯片市場；15%來自于 VCSEL 激光器芯片市場。我們預計 2020 年至 2025 年未來五年間，受益于 5G網絡帶動萬物互聯新應用，以及帶動相應數據中心、接入網、城域骨干網等網絡基 礎設施的全面升級，高速光芯片將在 2023 年左右迎來高速發展期。

7. 中國光芯片企業步入高速發展期

根據 Yole 統計顯示，到 2026 年全球光模塊器件磷化銦襯底（折合兩英寸）預計銷量 將超過 100 萬片，2019 年-2026 年復合增長率達 13.94%，2026 年全球光模塊器件磷化 銦襯底預計市場規模將達到 1.57 億美元，2019-2026 年復合增長率達 13.94%。根據 Yole 預測，激光器是砷化鎵襯底未來五年最大的應用增長點之一。預計到 2025 年，全球激光器砷化鎵襯底（折合二英寸）的市場銷量將從 2019 年的 106.2 萬片增長 至 330.3 萬片，年復合增長率為 20.82%；預計到 2025 年，全球激光器砷化鎵襯底市 場容量將達到 6,100 萬美元，年復合增長率為 16.82%。（報告來源：未來智庫）

在具體應用方面，未來五年激光器砷化鎵襯底的需求增長主要由 VCSEL 的需求拉動。VCSEL 是一種垂直于襯底面射出激光的半導體激光器，在應用場景中，常常在襯底多 方向同時排列多個激光器，從而形成并行光源，用于面容識別和全身識別，目前已在 智能手機中得到了廣泛應用。根據 Yole 預測，隨著 3D 傳感技術在各領域的深度應 用，VCSEL 市場將持續快速發展，繼而加大砷化鎵襯底的需求。2019 年，全球 VCSEL 器件砷化鎵襯底（折合二英寸）銷量約為 93.89 萬片，預計到 2025 年將增長至 299.32 萬片，年復合增長率達到 21.32%；2019 年全球 VCSEL 器件砷化鎵襯底襯底市場規模約 為 2,100 萬美元，預計到 2025 年全球砷化鎵襯底市場規模將超過 5,600 萬美元，年復 合增長率為 17.76%。

根據感知芯世界的統計，當前從事光芯片制造的企業主要分布于美國，日本，韓國， 新加坡和中國；從數量上來看，中國的光芯片企業已然占據了優勢，但從營收情況來 看，市場份額占比還遠不及美日等企業。中國光芯片產業剛正從發展初期逐步進入高 速發展期，而較多的企業仍處于 Fabless 無外延能力的模式，仍需要借助中國臺灣、新加坡 等地區外延支持能力。從市場規模來看，中國光芯片市場 2019 年達到 4.2 億美元，同比增長 9.52%，隨著下 游需求的驅動，我們預計中國光芯片市場將從 2020 年市場規模 6.7 億美元迅速增長到 2025 年 11 億美元，CAGR 將達到 17.4%。雖然我國主流激光器專業廠商收入仍處于較 低水平，但近年來我國光芯片產業已進入迅速發展期，產品線布局、良率、市場規模 都取得了較快增長。

1）接入網市場：國產化完成替代，逐步走向創新引領

在 2009~2018 年長達十年的寬帶接入市場快速發展中，中國已經成為全球最大規模的 光纖寬帶接入市場，全球寬帶接入占比高達 60%。用于接入網 PON 模塊的 10G 及以下 速率的光芯片已可實現近乎 100%的供應能力，但 EML 相關依然需要進口，且因個別 客戶對于芯片品牌的要求，日、美、韓等地領先的光芯片廠商依然占據一定的位置， 但份額逐年下滑。而隨著我國率先進入千兆入戶時代，我國光芯片產業有望進一步面 向下一代光接入網市場推出創新的光芯片解決方案。

2）5G 承載網絡：前傳國產化創新能力穩步提升

2020 年，我國 5G 基站進入大規模部署，我國光芯片、光模塊廠商在 5G 前傳光模塊 的批量供應鏈條取得了長足的發展，并率先實現了新型標準的開發配套和批量商用。從當前的情況來看，10G DFB 激光器芯片、PIN PD 探測器芯片、VCSEL 芯片均已經實現 了完全國產化替代，可以實現千萬級規模化量產。而受益于中國 25G 光模塊的規模招 標應用，國產化 25G DFB 激光器芯片也實現規模化批量生產，量產良率及后續市場開 拓有待進一步突破。

25G PIN PD 探測器芯片方面，也有不少國內廠商在 2020 下半年完 成批量化供貨。值得一提的是，助力 5G 建設，以源杰半導體、海信寬帶、光迅科 技、敏芯半導體、中科光芯等國產化光芯片廠商陸續完善產品線，并率先推出 CWDM、MWDM、LWDM 等激光器芯片方案。尤其是在 25G MWDM12 DFB 激光器方 面，源杰半導體更是成為 2020 年度唯一一家實現批量商用的廠家。一定程度上，也 代表了國產化光芯片依靠強大的市場需求，進一步完善自身的創新能力。

3）數據中心市場：國產化替代下一個重要目標

數據中心市場是一個技術迭代速度很快的市場，普遍 3-5 年一個代際，因此，帶給國 內光芯片企業更多的挑戰，企業研發團隊能否在 3 年內突破新技術存在極大的不確定 性，而市場迭代速度的加快，則讓新興企業追趕更加困難。因此，這一市場中的 25G EML 以上芯片幾乎 95%由國際巨頭芯片企業所壟斷。當前重慶凌越光電，深圳斑 巖電子從 25G EML 起步，但能否實現批量出貨還有待市場的驗證。25G 光芯片是 100G 及以上光模塊的核心芯片之一，激光器方面，源杰半導體、三安 集成、敏芯等多家企業重點布局這一領域，源杰半導體率先推出 25G CWDM4 DFB 激 光器芯片并于 2020 年實現了批量供貨并獲得了客戶的認可，隨后敏芯、三安集成也 于去年底宣布實現批量出貨。

與此同時，更多廠商開始布局外調制方式的 EML 激光器 的研究，光安倫也在 2021 年 8 月宣布推出 25G EML 激光器，我們預計在 2022 年將會 看到國內廠商在這一領域更多的突破；25G PIN 探測器芯片方面，芯思杰、三安集成 于 2020 年下半年開始向客戶批量交付，蘇納光電，光森電子等也相繼宣布實現小批 量；25G APD 方面，SiFotonics 則獨占鰲頭，芯思杰，敏芯等也于 2020 年正式發布了 相應的產品。在 25G VCSEL 芯片方面，華芯半導體、三安集成、長瑞光電、博升光 電、仟目激光也已經率先實現了批量供應的局面，并同時在布局 50G VCSEL，2021 年 年底前推出相應的樣品。

高功率光纖激光器芯片市場：國產替代進入加速期

1. 原理 高功率光纖激光器，是相對于光纖通訊中作為載波的低功率光纖激光器而言的，是在 光纖技術和激光泵浦原理基礎上產生的新一代固態激光器，是 21 世紀最先進和最高 效的激光器。近年來，隨著高功率半導體激光器泵浦技術和雙包層光纖制作工藝的成 熟發展，高功率光纖激光器的高轉換效率和高輸出功率正在引起激光技術產業新的革 命。相比較傳統的固體激光器，光纖激光器具有高光電轉換效率，良好的激光束質 量、全固態結構以及散熱方便等方面的優點，在許多應用領域具有廣闊的發展前景。

光在光纖中的全反射傳輸現象在很早就已被發現，早期的光纖由于損耗較大（約 1000 dB/km），除了用于醫療器件中的成像元件外，很難在長距離下使用。20 世 紀 70 年代，光纖的損耗下降到 20 dB/km，目前制作的通信光纖的損耗在 1.55μm 波長已下降到 0.1 dB/km，這一進展帶動了光纖通信革命性的變化。20 世紀 80 年 代，采用單模激光二極管作泵浦源，在單模光纖中獲得數十毫瓦的激光輸出，其 中工作波長為 1550nm 的摻鉺光纖放大器成為光通信中十分有用的信號放大元 件。由于單模光纖纖芯直徑十分細小，一般在 10μm 以下，要將更大的功率注入 到光纖纖芯中在技術上遇到了困難，為此，1998年出現了雙包層光纖，它可以保 持細小的纖芯尺度，而使抽運光進入數百微米量級的內包層中。這一技術上的突 破式光纖激光器的輸出功率在十余年內迅速上升。

光纖作為導波介質，纖芯直徑小，纖芯內易形成高功率能量反轉密度，可方便地 與目前的光纖通信系統高效連接。此外，光纖激光器具有高轉換效率、低閾值、 高增益、輸出光束質量好和窄線寬等特點：由于光纖可以很好的纏繞在一起，使 得激光器可設計得小巧便攜、結構緊湊、高度集成；由于光纖具有很高的“表面 積/體積”比，系統自身散熱效果好，所以光纖激光器只需簡單的風冷就可以在-20～70℃的環境溫度內工作，而且可以在環境惡劣的條件下工作，如在高沖擊震 蕩、高環境溫度、高 PM 值的條件下正常運轉；此外，光纖激光器具有相當好的 可調諧參數和選擇性，能獲得寬調諧范圍和相當好的單色 性和高穩定性，平均無故障工作時間在 10kh 甚至 100kh。擁有眾多令人矚目的優 點，使得光纖激光器已在光纖通信、傳感、工業加工、國防和軍事等領域取得廣 泛應用。

與其他類型的激光器一樣，光纖激光器由增益介質、泵浦源和諧振腔三個部分組成。光纖激光器使用纖芯中摻雜有稀土元素的有源光纖作為增益介質。一般采用半導體激 光器作為泵浦源。而諧振腔則一般利用反射鏡、光纖端面、光纖環形鏡或光纖光柵等 器件構成。具體工作過程為：在工作狀態下，有源光纖（增益光纖）通過吸收泵源提供的能量，經有源光纖和光纖光柵組成的諧振腔激勵放大后輸出激光。

種子源：又稱信號源，是激光放大系統中輻射放大的對象，提供低功率信號的激 光作為“種子”讓放大系統依照這個“種子”的狀態進行放大。有源光纖：有源光纖作為增益介質，在光纖激光器中的作用為實現將泵浦光到信 號光的能量轉換實現放大作用。無源光纖：無源光纖主要實現光傳輸的作用，不參與波長的轉換。在光纖激光器 系統中，主要有光纖光柵、光纖隔離器中的無源匹配光纖和激光傳能組件中的無 源多模大芯徑傳能光纖等。目前國內供應商的無源光纖產品已基本完全可以滿足 生產需求，僅少量用于超高功率產品的無源光纖依然需要使用進口光纖。光纖激光器各組成部分均由多個核心光學器件制作而成，核心光學器件的技術水 平直接決定了光纖激光器輸出的激光功率水平和性能參數，光學器件占光纖激光 器成本 60%以上。

2. 分類-按系統結構：單振蕩器結構與 MOPA 結構光纖激光器

得益于光纖激光器件能力的提升，特別是光纖布拉格光柵（FBG）功率負載能力的提 升，近年來基于單振蕩器構型的高功率連續光纖激光器輸出功率不斷提高，從早期的 500 W 到 750 W，再到目前的 6-8kW。功率的大幅提升使其在激光切割、焊接、熔覆 及 3D 打印等先進制造領域得到廣泛應用。采用單振蕩器構型的好處在于激光器結構較為簡單，且系統抗反激光能力更強。而當 激光器功率進一步提升，或者對光譜、偏振態等特性有更復雜的要求時，這就需要采 用 MOPA 構型。MOPA（Main Oscillator and Power Amplifier）中文全稱為主振蕩器加功 率放大器，是相對于單振蕩器構型而言的一種激光器構型，特指基于電調制種子源加 一級或多級功率放大器的光纖激光器。國外代表性廠商有 SPI，國內代表廠商有杰普 特、光至科技。

MOPA 構型是激光器設計上難度與復雜度權衡的結果。基于單振蕩器構型去實現 激光器所有輸出指標，過于困難或者根本做不到；增加放大器，加大了激光器的 復雜度，卻緩解了難度瓶頸。在高功率激光器設計時，通過 MOPA 結構可將功率 提升和參數控制的難度分散在振蕩器和放大器中。也就是說，振蕩器主要關注除 功率外的頻域和時域參數的調控，功率放大則主要由單級或多級放大器來完成。換言之，激光器除功率外的主要性能基本上是由振蕩器決定；（報告來源：未來智庫）

高反射材料切割和焊是激光加工的一大難題，因為高反材料通常對光纖激光的吸 收率很低，而且吸收的熱量很快會擴散，這對激光加工就造成了很大難度；同 時，激光照射到這些高反材料上，大部分能量會被反射出去，反射的激光有可能 會返回激光器內部，在加工過程中出現出光不穩定、或停止出光現象，甚至還會 對激光器造成很大的損傷，縮短激光器的壽命。這些原因導致長期以來，高功率 工業用光纖激光器均采用單腔模塊而不使用主震蕩功率放大器的結構。但是近年 來，人們通過采用特殊手段對工業加工中產生的反向光信號進行濾除處理之后， 也成功地將 MOPA 連續光纖激光器應用于激光切割、焊接等領域。目前工業級 MOPA 結構單模組連續光纖激光器的輸出功率已達 10-20kW。

來源：光通信PRO

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